能耗模拟的通风模型.pdf

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1、能耗模拟的通风模型作者：田志超文字校核：张贺前言：模拟即是模拟世界，建筑能耗模拟就应该反映真实的建筑环境。在我国，建开窗通风是一种普遍现象，很多模拟没有进行自然通风的模拟，这显然是不太合适的。能耗模拟软件，如DeST和EnergyPlus，多采用多区域模型。多区域网络模型能否胜任自然通风模拟呢，请看下文。模拟通风过程的计算模型主要有经验公式模型（empiricalequationsmodel）、多区域模型（multi-zonemodel）、单元模型（zonalmodel）、CFD模型（CFDmodel）和混合模型(Hybridmodel)。这些模型都根

2、据现实的物理现象进行了不同程度的简化，其中多区域模型和CFD模型是最常用的通风模型。不同模型具有不同的特点，在实际应用时应根据分析问题的不同，合理选择通风模型，取长补短。如采用多区域模型模拟通风过程时，采用经验公式模型计算建筑的渗透通风或通过经验公式模型得到多区域模型的边界条件。多区域模型也实现了和热模拟模型的耦合，因此能耗模拟软件多采用多区域模型模拟通风过程。预测自然通风或渗透通风时一种简单有效的方法就是采用经验公式，如ASHRAE标准中用下面公式计算建筑的渗透通风量。能耗模拟时的自然通风过程还多使用的是多区域通风模型，计算公式如下。???=√??∆

3、?+???21000其中：?——渗透通风速率，?3/?；?——有效的渗透面积，?2在室内外压差为4Pa时测到；?2?——热压系数，（L/s）/[??4·?]；?22?——风压系数，（L/s）/[??4·（m/s）]；?∆?——室内外空气温度差，?；U——当地气象站测量的风速3.2.1多区域模型多区域模型源自单一区域模型。单一区域的概念最早由Shaw在1907年提出，单一区域模型将整栋建筑假定为单一的控制体（singlecontrolvolume），如下图1a所示。上世纪50年代初Dick等在单一区域模型的基础上提出了多区域模型的理论原型，虽然仍将建筑假

4、定为单一的控制体，但提出了现在多区域模型中的几个关键概念，即将建筑周围的压力和开口的风速关联起来，假定流过开口的数度是由静态压力差驱动，提出通过守恒方程求解控制体的空气流动。，类比于电路原理，1977年Aynsley等在Dick的单一区域模型上发展出一系列的多区域网络模型。90年代研究者又将多区域模型和供暖空调的送风系统进行了耦合。现在通常使用的多区域模型——节点-多区域模型，节点-多区域模型是基于质量守恒求解，假定空气流动速度慢，故不考虑空气的动量守恒。下文如果没有特指，多区域模型就指的是节点-多区域模型。abc图1通风模型的发展进程a.单一区域模型

5、，b.多区域+风管网络模型，c.多区域模型+局部CFD模型图片来源：文献（1）节点-多区域模型节点-多区域模型通常的处理方法是将房间假定为理想的热工区域，将风管假定为导管（ductjunction），用节点代表热工区域或导管，将节点通过不连续的空气通路相连接形成网络，所以多区域模型也常叫多区域网络模型，如下图2a所示。求解时先根据风管特性确定导管的特性，已知建筑周围的边界条件（压力）、室内空气的温度，假定空气静态的流体（不求解动量守恒），求解质量守恒方程得到非线性算术方程。将求解的方程反代入导管或者区域的守恒方程内得到导管和区域内空气的流速。这种模型即

6、为节点-多区域网络模型。abc图2多区域网络模型示意图a.节点-多区域模型，b.建筑和暖通空调系统，c.端盖板-多区域模型图片来源：文献[24]（2）端盖板-多区域模型另外一种有代表的处理方法，如图2-c所示，将房间和风管都假定成有限的控制容积（finite-sizecontrolvolume），用端盖板(portplane)将不同的有限控制容积相隔开，从而模拟整栋建筑空气流动状态。在已知端盖板的初始条件（压力和流速）后，用质量和机械能守恒（动量守恒较难求解，用机械能守恒简化替代）求解建筑的内的空气流动，通过已知边界条件，在对热工区域进行简化处理后求解

7、，这种方法称为端盖板-多区域网络模型。由于这个模型是基于机械能守恒，需要一些测量的数据，在实际中很少应用这种模型。上面提到的节点-多区域模型不要求控制体的机械能守恒，可以看出这只是端盖板-多区域模型的一种特例。多区域模型能够预测建筑内的通风的效率、室内污染物的扩散速度和模拟烟雾控制，以及通过热模拟模拟耦合预测建筑能耗。然而多区域模型仅适用于模拟空气在空间内分布较为一致的空气流动，对于如置换式通风或高大空间中空气分布明显不均匀的场所，需要使用单元模型或CFD模型进行模拟。3.2.2单元模型多区域模型将每个房间划分为一个zone，单元模型将一个房间划分为多

8、个子单元，如下图3所示，这样可以更加详细地定义房间内的物理参数。单元模型可以看作是介于多区域模